В мире молекул: власть и очарование органического синтеза
Иногда меня спрашивают, как вы стали химиком. В самом деле, как?
Моё знакомство с наукой химией
Впервые я заинтересовался химией в школе, в чём была заслуга моего замечательного учителя Владимира Захаровича Когана, который открыл мне — 12-летнему мальчику — чарующий и загадочный мир молекул, атомов и электронов. Невидимые и в то же время вездесущие, они, как я уже тогда понял, составляют основу всего, что нас окружает, — Солнца, Луны, звёзд, ветра, дождя, снега, цветов, а также моего собственного тела, моих мыслей, устремлений и памяти… Памяти, которая возвращает меня в детство, в забайкальский город Читу, где осел в годы революции мой дед — инженер-строитель Транссиба и где я родился в далёком 1938 году. Память рисует мне картины розово-фиолетовых сопок, покрывающихся во время короткой забайкальской весны диким цветущим рододендроном (сибирским багульником). Вспоминаю голубовато-серебряный отблеск луны на бархатном зимнем небе и ослепительные искорки снежинок, мою молодую — очень молодую маму, которая, радостно смеясь, бежит и везёт за собой санки, в которых сижу я — трёх- (или четырёх?) летний мальчик…
И всё это — игра, причуды и фантазии молекул, их метаморфозы, подчиняющиеся Божественным законам. Мне захотелось узнать эти законы. Я мечтал проникнуть во внутреннюю жизнь молекул и понять их поведение. Зачем? Чтобы самому создавать новые молекулы, ещё не известные другим людям, соединять эти молекулы друг с другом и получать неведомые вещества и материалы с неизвестными, но полезными свойствами.
Первый опыт очень простого химического синтеза, проведённый в школе (реакция «серебряного зеркала» — сегодня мы относим такие реакции к нано- или золь-гель-технологиям), позволил мне, мальчику, почувствовать себя настоящим творцом. Затем был ацетилен, получаемый из карбида кальция, его крайне взрывоопасные смеси с воздухом, его взрывчатые медные и серебряные производные, домашний порох и динамит и многие другие опасные, но очень захватывающие вещи. Господь хранил меня. Надо ли говорить, что мои занятия были настоящей головной и сердечной болью для моей бабушки, которая страдала астмой и не переносила химические запахи. Но опыты казались мне действительно потрясающими!
Неудивительно, что профессией я выбрал химию. Прошли годы, но я до сих пор верю, что химия, и особенно органический синтез, является наиболее захватывающей, созидательной и плодотворной сферой человеческой деятельности, граничащей с искусством (музыкой, поэзией, живописью), требующей не только знаний, но вдохновения и интуиции. Действительно, получение нужной молекулы, обладающей нужными свойствами, или осознание того, каким образом сложное природное соединение может быть собрано из более простых, — задачи, которые приближают нас к Лаборатории Создателя.
Окончив школу в городе Иркутске (тогда семья уже переехала в Иркутск), я поступил в Иркутский государственный университет, конечно, на химический факультет. Тогда золотому медалисту были открыты двери любого вуза Москвы и Ленинграда — принимали без экзаменов. Но я решил остаться в Иркутске, хотя неплохо знал Москву и Ленинград, часто проводил там летние каникулы у своих родственников. Кажется, меня — провинциала — как-то задевало благополучие метрополии. Но сейчас, побывав во многих столицах мира, считаю Петербург и его окрестности самыми прекрасными на свете. Нередко вспоминаю сфинкса «с выщербленным ликом» на Университетской набережной, «пять углов», где неподалёку на Загородном жила моя тётя, скульптурную группу коней и атлетов Клодта на Аничковом мосту через Фонтанку, собор на Владимирской площади, куда ходил молиться Достоевский, живший поблизости.
Во власти первых успехов
Моя научная деятельность началась на стыке химии ацетилена (моя первая детская любовь) и угля под руководством профессора Анастасии Васильевны Калабиной, добрейшего человека, которого я когда-либо встречал. Она принадлежала к знаменитой отечественной химической школе, созданной академиком Алексеем Евграфовичем Фаворским. Анастасия Васильевна представила меня профессору Михаилу Фёдоровичу Шостаковскому, прославленному представителю школы Фаворского. Позднее я познакомился с семьёй Фаворского в Санкт-Петербурге (тогда Ленинграде) — с его дочерями, профессорами Татьяной Алексеевной и Ириной Алексеевной (выдающимися учёными-химиками) и с внуком академика Фаворского, профессором Иваном Никитовичем Домниным, который активно работал тогда в области химии ацетилена и малых циклов. Тогда же я познакомился с профессором Татьяной Ивановной Темниковой — ведущим теоретиком органической химии, автором фундаментальных учебников, по которым училась вся страна. Она тоже была ученицей Алексея Евграфовича Фаворского. Много добра мне сделал профессор Ленинградского химико-технологического института, член-корреспондент АН СССР Анатолий Александрович Петров, который стал одним из моих оппонентов, когда я защищал в 1970 году докторскую диссертацию в Ленинградском университете. Мог ли я предположить тогда, что через много лет меня изберут почётным профессором химического факультета этого университета?
Таким образом, я оказался под сильнейшим влиянием идей, методологий и традиций лучших представителей российской химической науки, а также под чисто человеческим обаянием этих замечательных и добрых людей, элиты отечественной химии и культуры. Я старался всё впитывать как губка, перенимал экспериментальные и методологические навыки, мастерство и образ мышления, которыми так щедро одаривали меня мои прославленные учителя.
Моя дипломная работа была посвящена введению двойной связи в фенолы (их винилированию) под действием ацетилена под давлением. Результаты этих исследований позволили впервые осуществить эффективный синтез ароматических виниловых эфиров в водной среде, можно сказать, некое начало «зелёной химии» (в то время такие реакции проводились в растворе диоксана). С тех пор теория реакционной способности органических соединений, механизмы химических реакций, электронная и конформационная структура молекул, которые я старательно изучал, в том числе консультируемый Татьяной Ивановной Темниковой, помогали мне не потерять ориентиры в океане химических превращений.
Через четыре года после окончания университета я защитил кандидатскую диссертацию в Иркутском университете, посвящённую химии виниловых эфиров гликолей. Работа была выполнена под руководством профессора Михаила Фёдоровича Шостаковского, ближайшего ученика академика Фаворского, и профессора Александра Спиридоновича Атавина, тоже ученика академика Фаворского. Целью моего исследования была разработка безртутного синтеза уксусного альдегида на основе виниловых эфиров этиленгликоля (задача, уже определённо относящаяся к «зелёной» химии, а это были ещё 1960-е годы). Цель была успешно достигнута. На заводе синтетического каучука в Темиртау (Северный Казахстан) был запущен опытно-промышленный цех (100 т/год с 14-метровыми колоннами-реакторами). Открылись перспективы решения проблемы загрязнения ртутью в регионе. Впервые в Советском Союзе появилось промышленное производство виниловых эфиров гликолей и, позднее, бутилвинилового и изобутилвинилового эфиров при атмосферном давлении ацетилена. В то время это был второй завод такого профиля в мире (первый — в концерне BASF в Германии). Все эти работы проводились в Иркутском институте органической химии, который был основан Михаилом Фёдоровичем Шостаковским.
Ключ к новым реакциям. Суперосновные среды и катализаторы
Я и мои сотрудники (мне доверили руководить большой научной группой) доказали, что ацетилен может быть дополнительно активирован, а его реакции с анионами, в том числе, с анионами спиртов, могут быть существенно ускорены в сильноосновных (суперосновных) средах. Это привело к оформлению концепции суперосновности (основсности, более высокой, чем обычная) как «зеркального отражения» суперкислотности (необычно высокой кислотности), тогда уже выдвинутой нобелевским лауреатом Джорджем Ола, и к регулярному применению (нашим коллективом) суперосновных катализаторов и реагентов в химии ацетилена и, в более широком плане, в химии ненасыщенных (содержащих двойные и тройные связи) гетероатомных соединений.
Это, в свою очередь, способствовало открытию и разработке серии новых общих реакций и методов, введению в органический и элементоорганический синтез целого ряда разнообразных строительных блоков и универсальных реагентов, пригодных для построения новых сложных молекул, обогащению химии полимеров новыми функциональными мономерами, создало фундамент для получения неизвестных ранее материалов.
Стилем исследовательской работы нашей команды всегда было коллективное творчество, своего рода непрерывная мозговая атака. Сегодня наша лаборатория включает 48 учёных, в том числе 11 профессоров и докторов наук, 30 кандидатов наук. Конкретные исследовательские задачи (общие направления задаются Академией наук и соответствуют мировым тенденциям развития органического синтеза) обычно формулируются коллективно, совместно с руководителями групп и ведущими сотрудниками. Кроме фундаментального направления эти задачи имеют, как правило, практический смысл (прекурсоры лекарств, новые мономеры, материалы для IT-технологий). Каждый член коллектива принимает участие как в решении поставленных задач в ходе обсуждения текущих результатов, так и в выдвижении новых идей — либо на рабочем месте (часто прямо у вытяжного шкафа), либо во время еженедельных лабораторных семинаров. В то же время это и учебный процесс. Я не знаю лучшего способа обучения молодых учёных и аспирантов-химиков, нежели тот, когда профессора делятся своими знаниями, опытом и интуицией с молодёжью, используя конкретные, возникающие в ходе эксперимента, ситуации, совместно решая методические проблемы.
Мы советуем молодым всегда одно и то же: ищите необычное, неожиданное, экстраординарное в любом обычном эксперименте. Не всегда следует выбрасывать нежелательный продукт — за ним может стоять открытие. Обращайте внимание на любое неизвестное побочное соединение — не исключено, что это индикатор новой реакции.
В этом отношении поучительна история открытия нового синтеза пирролов (который вошёл в монографии и справочники1, 2). В начале семидесятых годов я попросил кандидата химических наук Альбину Ивановну Михалёву (позже профессора) получить из оксима циклогексанона (основное исходное сырьё в производстве капролактама и полиамидных смол) его виниловый эфир. Она получила продукт, который не имел ничего общего с ожидаемым виниловым эфиром. Нашим первым порывом было выбросить его, но более тщательное изучение показало, что полученное соединение представляет собой винилтетрагидроиндол — абсолютная неожиданность! Дальнейшие исследования с привлечением других аналогов оксима циклогексанона (доступные соединения, ближайшие производные кетонов) подтвердили, что мы открыли новый общий метод синтеза индолов и пирролов (ароматических пятичленных азотистых гетероциклов), обладающий высокими препаративными характеристиками, удобный для технологической реализации. Индолы и их производные — это основа многих важных гормонов (триптофана, серотонина, мелатонина, буфотенина), отвечающих за познавательные способности человека, за нашу творческую активность и настроение, передачу нервных импульсов, а также регуляторы роста растений, синтетиче-ские предшественники многих лекарств. Пирролы используются природой для построения хлорофилла — трансформатора солнечных лучей в зелень листвы, красоту и гармонию цветов, разнообразие плодов. Леса, поросшие травой степи (лёгкие планеты), поглощающие углекислый газ и поддерживающие на планете необходимый для жизни уровень кислорода, — всего этого не было бы без хлорофилла, сложенного из четырёх молекул пирролов и атома магния. Пирролы — это и основа молекул гемоглобина, без чего невозможно дыхание тепло кровных, в том числе человека. Пирролы и их производные широко используются в синтезе жизненно важных лекарств, включая статины, регулирующие уровень холестерина в крови. Пирролы — это и мономеры для получения органических проводников с электропроводностью, близкой к электропроводности металлов, и перспективные исходные вещества для материалов, применяемых в цифровых технологиях.